JPH04326033A - Pressure or acceleration sensor - Google Patents

Pressure or acceleration sensor

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JPH04326033A
JPH04326033A JP4042981A JP4298192A JPH04326033A JP H04326033 A JPH04326033 A JP H04326033A JP 4042981 A JP4042981 A JP 4042981A JP 4298192 A JP4298192 A JP 4298192A JP H04326033 A JPH04326033 A JP H04326033A
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Abstract

PURPOSE: To obtain a sensor for measuring pressure and acceleration. CONSTITUTION: The sensor for measuring pressure or acceleration comprises a structured silicon carrier 10, and a frame 11 having a displaceable membrane 12 formed on the first major surface thereof. The membrane 12 has a reinforcing region and a first part structure is coupled with the membrane 12 in the reinforcing region. At least a part of the membrane 12 extends over the frame 11 and forms the electrode of a capacitor. At least one counter electrode 161, 162 of the capacitor is arranged oppositely to the first part structure in the region of the frame 11.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、単結晶シリコン担体を
有する、圧力または加速度測定用のセンサであって、前
記シリコン担体の第1主表面には薄膜の列が被着されて
おり、当該薄膜層には少なくとも1つの第1部分構造体
を有する構造体が構成されており、該第1部分構造体は
シリコン担体の第1主表面に対して平行に配向されてお
り、前記第1部分構造体と主表面との間には空隙が存在
するセンサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sensor for measuring pressure or acceleration having a single-crystal silicon carrier, the silicon carrier having an array of thin films deposited on its first main surface. The thin film layer is configured with a structure having at least one first partial structure, which first partial structure is oriented parallel to the first main surface of the silicon carrier, and which is oriented parallel to the first main surface of the silicon carrier. The present invention relates to a sensor in which a gap exists between a structure and a main surface.

【0002】0002

【従来の技術】“Fine Grained Poly
silicon and its Applicati
on to Planar PressureTran
sducers”,H.Gruckelら著、Tran
sducer、1987年、277頁〜282頁には、
表面マイクロ技術での圧力センサの製造方法が記載され
ている。この製造方法では、3次元のセンサ構造体(例
えばダイヤフラム構造体、舌片構造体またはブリッジ構
造体)が、単結晶のシリコン基板に分離された薄膜の列
により形成される。変位可能ないし変形可能なセンサ構
造体は、まず構造化されたシリコン酸化物層を基板に被
着し、引続きこのシリコン酸化物層上にポリシリコン層
を分離することによって得られる。ポリシリコン層の構
造化と側方の下部エッチングにより、構造化されたシリ
コン酸化物層が除去され、センサ構造体がポリシリコン
層に露出される。本明細書ではさらに、製造方法の種々
異なる工程パラメータがセンサ構造体の材料特性に及ぼ
す作用についても述べる。この種のセンサの機能と信頼
度はほとんど材料の特性、例えば弾性係数に依存してい
る。この材料からセンサの変位可能ないし変形可能な要
素が製造される。
[Prior art] “Fine Grained Poly
silicon and its application
on to Planar PressureTran
sducers”, H. Gruckel et al., Tran
sducer, 1987, pp. 277-282,
A method for manufacturing a pressure sensor with surface microtechnology is described. In this manufacturing method, a three-dimensional sensor structure (for example a diaphragm structure, a tongue structure or a bridge structure) is formed by an array of separated thin films on a single crystal silicon substrate. A displaceable or deformable sensor structure is obtained by first applying a structured silicon oxide layer to a substrate and subsequently separating a polysilicon layer onto this silicon oxide layer. By structuring the polysilicon layer and lateral bottom etching, the structured silicon oxide layer is removed and the sensor structure is exposed in the polysilicon layer. This document also describes the effects of different process parameters of the manufacturing method on the material properties of the sensor structure. The functionality and reliability of this type of sensor depends mostly on the properties of the material, such as the elastic modulus. The displaceable or deformable element of the sensor is manufactured from this material.

【0003】未公開のドイツ特許出願P4022495
.3号からさらに、3層シリコンウェーハのセンサ構造
体の製造方法が公知である。ここでは、シリコンウェー
ハの両側外部層に、振動可能な震動質量体に対する保持
ウェッブが構成されている。
Unpublished German patent application P4022495
.. Furthermore, a method for manufacturing a sensor structure of a three-layer silicon wafer is known from No. 3. Here, retaining webs for the vibrating seismic mass are constructed on both external layers of the silicon wafer.

【0004】発明の利点 請求項1の特徴を有する本発明のセンサは、容積マイク
ロ技術で製造されたセンサの利点と表面マイクロ技術で
製造されたセンサの利点とを組み合せ、それぞれの製造
方法で発生する欠点を回避したという利点を有する。本
発明のセンサは、単結晶のシリコン担体から構造化され
た可動のダイヤフラムを有し、この可動のダイヤフラム
は補強部領域を備えている。この補強部領域は容積マイ
クロ技術の方法により、簡単に良好な再現性で製造する
ことができる。ダイヤフラムはシリコン担体の第1の主
表面に構成されており、この主表面には薄膜の列が被着
されている。これらの薄膜には少なくとも1つの部分構
造体を有する構造体が構成されている。この部分構造体
はシリコン担体に対して平行に配向されている。これは
表面マイクロ技術で実現すると特に有利である。第1の
部分構造体はコンデンサの電極を形成し、補強部領域で
ダイヤフラムと結合されている。第1の部分構造体は少
なくとも一部がダイヤフラムを越えてダイヤフラムの固
定フレーム上方に延びている。ここには少なくともコン
デンサの対向電極が配置されている。コンデンサの電極
間の距離は、表面マイクロ技術法の良好なプロセス特性
により非常に小さい。これにより僅かな構造容積と構造
容積に比較して高い定常容量を有するセンサが実現され
る。特に有利にはセンサに及ぼされる加速度または圧力
が単結晶ダイヤフラムの変形を惹起するが、しかし電極
として用いる部分構造体は変形されないように構成する
。この部分構造体は変形されるのではなく、変位され、
これが容量的に検出される。というのは、この部分構造
体はダイヤフラムの補強部領域でフレームに対し、特に
そこに取り付けられた構造体、例えば対向電極に対して
固定されているからである。従い表面マイクロ技術でシ
リコン担体上に被着された構造体は変形されず、専ら単
結晶ダイヤフラムの変形を検出するために用いる。 このダイヤフラムの剛性はまず第1に、単結晶シリコン
の非常に良好に定められた材料パラメータに依存する。 そのため簡単に、所定の再現可能な感度を有するセンサ
を製造することができる。この簡単なセンサ構造は特に
ICコンパティブルである。
ADVANTAGES OF THE INVENTION The sensor of the invention with the features of claim 1 combines the advantages of sensors manufactured with volumetric microtechnology and the advantages of sensors manufactured with surface microtechnology, and combines the advantages of sensors manufactured with volumetric microtechnology and with the advantages of sensors manufactured with surface microtechnology. It has the advantage of avoiding the disadvantages of The sensor of the invention has a movable diaphragm structured from a monocrystalline silicon carrier, which movable diaphragm is provided with a reinforcement region. This reinforcement region can be produced simply and with good reproducibility by means of volumetric microtechnology. The diaphragm is constructed on a first main surface of the silicon carrier, onto which a thin film array is applied. These thin films constitute a structure having at least one partial structure. This substructure is oriented parallel to the silicon carrier. This is particularly advantageous if realized with surface microtechnology. The first substructure forms the electrode of the capacitor and is connected to the diaphragm in the region of the reinforcement. The first substructure extends at least partially beyond the diaphragm and above the fixed frame of the diaphragm. At least the counter electrode of the capacitor is arranged here. The distance between the electrodes of the capacitor is very small due to the good process characteristics of the surface microtechnology method. This results in a sensor with a small construction volume and a high constant capacity compared to the construction volume. Particularly preferably, the acceleration or pressure applied to the sensor causes a deformation of the monocrystalline diaphragm, but the substructure used as the electrode is not deformed. This substructure is not deformed but displaced;
This is detected capacitively. This is because this substructure is fixed in the region of the reinforcement of the diaphragm to the frame, in particular to the structure attached thereto, for example to the counterelectrode. The structures deposited on the silicon carrier with surface microtechnology are therefore not deformed and are used exclusively for detecting deformations of the single-crystal diaphragm. The stiffness of this diaphragm depends first of all on the very well defined material parameters of single-crystal silicon. Therefore, it is possible to easily manufacture a sensor having a predetermined and reproducible sensitivity. This simple sensor structure is particularly IC compatible.

【0005】従属請求項に記載された手段により請求項
1に記載されたセンサの有利な実施形態が可能である。 有利には本発明のセンサを、第2の部分構造体により簡
単に、付加的にボンディングされたウェーハなしでも十
分な測定信号増幅型差動コンデンサ装置として実現する
のである。また特に有利には、センサの表面構造体をポ
リシリコン層または単結晶シリコン層から構造化するの
である。そのための技術は十分に公知であり、容易に操
作できるからである。さらにダイヤフラムが補強部領域
で付加質量体13を有するように構成すると有利である
。この構成により一方では、ダイヤフラムが補強部領域
で湾曲しないで変形することが回避され、他方では測定
効果の増幅と線形化がなされる。シリコン担体を使用す
ることは、特にシリコン担体を異方性エッチングにより
構造化する場合に有利である。このシリコン担体は複数
の層を有し、それらの間にドーピング移行が生じる。 コンデンサの電極の電気端子並びにシリコン担体の第1
の主表面上に配置された対向電極は簡単には、シリコン
担体の第1の主表面での拡散により実現される。本発明
のセンサの機能に対して、センサの表面構造体をシリコ
ン担体の第1の主表面に気密に封鎖すると有利である。 これは有利にはポリシリコンまたは単結晶シリコン製の
カバーにより実現される。カバー内は所定の圧力、有利
には真空であり、これによりセンサの減衰度が定められ
る。カバーはさらに外部の影響によるセンサの汚れおよ
び破壊に対する保護として用いられる。コンデンサ装置
の電極が、例えば粘着により相互に接着してしまうのを
回避するため、表面構造体の全面およびシリコン担体の
第1主表面上に、少なくともこの構造体の領域に低電位
の不動態層、有利にはニトリド層を被着する。特に有利
には、センサのコンデンサ構造体を専らシリコン担体表
面とポリシリコン層のみに構成するのである。本発明で
はこれは次のようにして構成される。すなわち、中央電
極の一部が表面構造体として、また一部が第1のシリコ
ン担体主表面に形成され、第1の対向電極がシリコン担
体主表面へ、表面構造体として構成された中央電極の一
部下方で拡散され、第2の対向電極が固定して張設れた
表面構造体として、中央電極の一部の上方に形成され、
この中央電極がシリコン担体の補強部領域の第1主表面
へ拡散されるようにして構成するのである。
Advantageous embodiments of the sensor according to claim 1 are possible with the measures set out in the dependent claims. Advantageously, the sensor according to the invention is realized simply by the second substructure as a differential capacitor arrangement with measuring signal amplification, which is sufficient even without an additional bonded wafer. It is also particularly advantageous for the surface structure of the sensor to be structured from a polysilicon layer or a monocrystalline silicon layer. This is because the techniques for this purpose are well known and can be easily operated. Furthermore, it is advantageous to design the diaphragm in such a way that it has an additional mass 13 in the region of the reinforcement. This configuration on the one hand prevents the diaphragm from deforming without bending in the region of the reinforcement, and on the other hand amplifies and linearizes the measuring effect. The use of a silicon carrier is particularly advantageous if the silicon carrier is structured by anisotropic etching. This silicon carrier has several layers between which doping migration occurs. The electrical terminals of the electrodes of the capacitor as well as the first part of the silicon carrier
The counterelectrode arranged on the main surface of the silicon carrier is simply realized by diffusion on the first main surface of the silicon carrier. For the functioning of the sensor according to the invention, it is advantageous if the surface structure of the sensor is hermetically sealed to the first main surface of the silicon carrier. This is preferably achieved by a cover made of polysilicon or monocrystalline silicon. Inside the cover there is a predetermined pressure, preferably a vacuum, which determines the degree of damping of the sensor. The cover also serves as a protection against dirt and damage to the sensor due to external influences. In order to avoid that the electrodes of the capacitor device adhere to each other, for example by adhesion, a low-potential passivation layer is applied over the entire surface structure and on the first main surface of the silicon carrier, at least in the region of this structure. , preferably a nitride layer. It is particularly advantageous to construct the capacitor structure of the sensor exclusively on the silicon carrier surface and the polysilicon layer. In the present invention, this is configured as follows. That is, a part of the central electrode is formed as a surface structure and a part is formed on the first main surface of the silicon carrier, and the first counter electrode is formed as a surface structure on the main surface of the silicon carrier. formed above a portion of the central electrode as a surface structure partially diffused below and fixedly stretched by a second counter electrode;
This central electrode is constructed in such a way that it is diffused into the first main surface of the reinforcement region of the silicon carrier.

【0006】本発明のセンサを加速度センサとして使用
する場合、付加質量体の周りのダイヤフラムに裂部を設
けると有利である。これにより、付加質量体はダイヤフ
ラム内に構成されたウェッブによってのみ懸架される。 このような加速度センサの横方向の感度を減少するため
に、付加質量体は付加的にシリコン担体の第2主表面の
下側でフレームに結合されている。加速度センサを常時
、機能検査すると有利である。そのために、シリコン担
体の下側へ下部カバーを被着する。この下部カバーは付
加質量体の領域に空洞を有する。センサ下側の付加質量
体の領域には、第1の励起電極が配置されている。それ
に対向する空洞の底面には、第2の励起電極が配置され
ている。さらに2つの電極の間に電圧を印加するための
手段が設けられている。これにより、付加質量体を静電
的に変位することができる。この変位が加速度と同様に
、シリコン担体の表面に配置された構造体により検出さ
れる。この常時の機能検査は特に安全装置の加速度セン
サに対して有利である。
When using the sensor according to the invention as an acceleration sensor, it is advantageous to provide a tear in the diaphragm around the additional mass. Thereby, the additional mass is suspended only by the web configured in the diaphragm. In order to reduce the lateral sensitivity of such an acceleration sensor, an additional mass is additionally connected to the frame below the second main surface of the silicon carrier. It is advantageous to constantly perform a functional test of the acceleration sensor. To this end, a lower cover is applied to the underside of the silicon carrier. This lower cover has a cavity in the region of the additional mass. A first excitation electrode is arranged in the area of the additional mass below the sensor. A second excitation electrode is arranged on the bottom of the cavity opposite thereto. Furthermore, means are provided for applying a voltage between the two electrodes. This allows the additional mass to be electrostatically displaced. This displacement, like the acceleration, is detected by structures arranged on the surface of the silicon carrier. This constant functional check is particularly advantageous for acceleration sensors of safety devices.

【0007】[0007]

【実施例】本発明の実施例を以下図面に基づき詳細に説
明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Examples of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

【0008】図1には、10により単結晶シリコン担体
が示されている。シリコン担体はこの実施例のように1
つの層からなることができるが、複数の層からなること
もでき、その場合層の間にはドーピング移行が生じる。 シリコン担体10は構造化されている。そのため、シリ
コン担体はフレーム11とダイヤフラム12を有する。 ダイヤフラム12はシリコン担体10の第1の主表面に
構成されており、その中央領域に補強部を有する。補強
部内には付加質量体13が構成されている。加速度また
は圧力が担体平面に対して垂直に作用すると、ダイヤフ
ラムはその縁部領域が変形して変位する。シリコン担体
10の第1主表面には構造体50が被着されている。こ
の構造体は複数の部分構造体を有している。構造体50
は有利には、ポリシリコン層または単結晶シリコン層か
ら製造される。このような構造体を製造するための方法
は従来の技術から十分に公知であり、従いここでは詳細
に説明しない。構造体50の第1部分構造体は架台21
により構成される。この架台から舌片221と222が
出ている。これらの舌片はシリコン担体の第1主表面に
対して平行に配向されている。第1構造体はまた、カバ
ープレートを有する架台21により構成することもでき
る。このカバープレートは全面で架台を越えて突出して
おり、舌片211、222と同じ機能を有している。架
台21はダイヤフラム12の補強部領域に配置されてい
る。舌片221と222はダイヤフラム12を越えてフ
レーム11上方に延びている。舌片221、222とシ
リコン担体10の第1主表面との間には空隙が存在する
。構造体50の2つの別の部分構造体はフレーム11の
領域に配置された架台311、312により形成される
。これらの架台からそれぞれ舌片321と322が張出
している。この舌片321、322は同様にシリコン担
体の第1主平面に対して平行に配向されているが、しか
しダイヤフラム12の方向に向いている。架台311と
312の高さにより、これらは第1構造体の舌片221
、222を越えて突出している。第1構造体の舌片22
1、222と第2構造体の舌片321、322との間に
も空隙が存在する。舌片221と222を有する第1構
造体は差動コンデンサの中央電極を形成する。中央電極
は導線18を介して接触接続している。導線はシリコン
担体10の第1主表面の架台21の領域で接続拡散の形
態で構成されている。第1構造体の舌片221、222
に対向してシリコン担体10の第1主表面には、それぞ
れ拡散された対向電極161と162が配置されている
。しかしこの対向電極は、例えば表面金属化の形態でも
実現することができる。2つの別の部分構造体は差動コ
ンデンサの第2の対向電極301、302を構成する。 これらの対向電極は同様に導線171と172により接
触接続されている。これらの導線は架台311と312
の領域でシリコン担体10の第1主表面へ拡散されてい
る。図1に図示されたセンサへ担体平面に対して垂直に
作用する力は、ダイヤフラム12の縁部領域を変形させ
、ダイヤフラム12の変位を惹起する。その際、中央電
極として用いる舌片221、222と第1の対向電極1
61、162ないし第2の対向電極301、302との
間隔も変化する。この間隔変化は差動コンデンサの容量
変化として検出される。構造体50、特に中央電極と対
向電極は変形されないことを述べておく。変形されるの
は単結晶シリコンダイヤフラム12だけであり、その材
料には疲労が発生せず、非常に簡単に再現性をもって製
造することができる。
In FIG. 1, a single crystal silicon carrier is designated by 10. The silicon carrier is 1 as in this example.
It can consist of one layer, but it can also consist of several layers, with doping migration occurring between the layers. The silicon carrier 10 is structured. The silicon carrier therefore has a frame 11 and a diaphragm 12. The diaphragm 12 is constructed on the first main surface of the silicon carrier 10 and has a reinforcement in its central region. An additional mass body 13 is constructed within the reinforcement section. When acceleration or pressure acts perpendicularly to the carrier plane, the diaphragm is displaced with deformation in its edge region. A structure 50 is applied to the first main surface of the silicon carrier 10 . This structure has a plurality of partial structures. Structure 50
is advantageously manufactured from a polysilicon layer or a monocrystalline silicon layer. Methods for manufacturing such structures are sufficiently known from the prior art and therefore will not be described in detail here. The first partial structure of the structure 50 is the frame 21
Consisted of. Tongue pieces 221 and 222 protrude from this pedestal. These tongues are oriented parallel to the first major surface of the silicon carrier. The first structure can also be constituted by a pedestal 21 with a cover plate. This cover plate projects beyond the pedestal on its entire surface and has the same function as the tongues 211, 222. The pedestal 21 is arranged in the region of the reinforcement of the diaphragm 12. The tongues 221 and 222 extend above the frame 11 beyond the diaphragm 12. A gap exists between the tongues 221, 222 and the first main surface of the silicon carrier 10. Two further substructures of the structure 50 are formed by frames 311 , 312 arranged in the area of the frame 11 . Tongue pieces 321 and 322 protrude from these frames, respectively. The tongues 321 , 322 are likewise oriented parallel to the first main plane of the silicon carrier, but in the direction of the diaphragm 12 . Due to the height of the pedestals 311 and 312, they are attached to the tongues 221 of the first structure.
, 222. Tongue piece 22 of the first structure
1, 222 and the tongue pieces 321, 322 of the second structure also have gaps. The first structure with tongues 221 and 222 forms the central electrode of the differential capacitor. The central electrodes are connected via a conductor 18 . The conductor lines are configured in the form of a connecting diffusion on the first main surface of the silicon carrier 10 in the area of the pedestal 21 . Tongue pieces 221, 222 of the first structure
Diffused counter electrodes 161 and 162 are arranged on the first main surface of the silicon carrier 10, respectively. However, this counterelectrode can also be realized, for example, in the form of surface metallization. The two further substructures constitute the second opposing electrodes 301, 302 of the differential capacitor. These counter electrodes are likewise connected in contact by conductive wires 171 and 172. These conductors are connected to mounts 311 and 312.
is diffused into the first main surface of the silicon carrier 10 in the region of . A force acting perpendicularly to the carrier plane on the sensor illustrated in FIG. 1 deforms the edge region of the diaphragm 12 and causes a displacement of the diaphragm 12. At that time, the tongue pieces 221 and 222 used as the center electrode and the first counter electrode 1
The distance between the electrodes 61 and 162 and the second opposing electrodes 301 and 302 also changes. This interval change is detected as a capacitance change of the differential capacitor. It is noted that the structure 50, in particular the central electrode and the counter electrode, is not deformed. Only the monocrystalline silicon diaphragm 12 is deformed, the material is fatigue-free and can be produced very easily and reproducibly.

【0009】図2に示されたセンサはシリコン担体10
を有する。このシリコン担体は図1に示されたセンサの
シリコン担体10と同じである。従い以下、相応する構
造素子に対しては同じ参照番号を用いる。シリコン担体
10には同様に構造体50(有利にはポロシリコン製ま
たは単結晶シリコン製)が被着されている。構造体50
はそれぞれ架台211と212からなる2つの第1部分
構造体とここからでる舌片221と222を有している
。2つの第1部分構造体はそれぞれダイヤフラム12の
補強部領域の縁部でシリコン担体10の第1主平面上の
架台211と212上に被着されている。舌片221と
222はシリコン担体10の第1主平面に対して平行に
配向されており、ダイヤフラム12を越えてフレーム1
1上方に突出している。舌片221、222とシリコン
担体10の第1主平面との間には空隙が存在する。2つ
の第1部分構造体は、補強部領域でダイヤフラム12に
拡散された電極15を介して相互に導電的に接続されて
いる。フレーム11の領域ではそれぞれ舌片221、2
22に対向して、第1の対向電極161と162がシリ
コン担体10の主平面へ拡散されている。電極15、1
61と162は別の仕方で、例えば別のポリシリコン層
により実現することができる。第2の対向電極25は構
造体50の別の部分構造体により形成されている。この
対向電極25はブリッジ状に、フレーム11に一方の側
からフレーム11の対向する側へダイヤフラム12の補
強部の上を2つの第1部分構造体の架台221と222
の間で張設されている。このセンサの場合、舌片221
と222を有する2つの第1部分構造体並びに架台21
1と212が、ダイヤフラムへ拡散された電極15と共
に差動コンデンサの中央電極として用いられる。差動コ
ンデンサの第1対向電極161と162はフレーム11
の表面に配置されている。第2対向電極25は、ダイヤ
フラム12へ拡散された電極15の上部に配置されてい
る。担体表面に対して垂直に力が作用した際のダイヤフ
ラム12の変位は、図1に示したセンサでは、差動コン
デンサの中央電極の一部である舌片221、222と第
1対向電極161、162との間の距離変化を惹起する
。さらにダイヤフラム12と第2対向電極25との間の
距離も変化する。この場合、ダイヤフラム12の表面に
は電極15が中央電極の一部としては位置されている。 従い、ダイヤフラム12の変位は再び容量的に差動コン
デンサ装置によって検出される。図1に示したセンサと
は反対に、図2に示したセンサの構造体50は実質的に
シリコン担体10の第1主表面上に分離された別の層に
のみ構成される。構造体50のこの構成によって、図1
に示した構造体50の構成と比較して、工程ステップが
センサの製造の際に節約される。
The sensor shown in FIG.
has. This silicon carrier is the same as the silicon carrier 10 of the sensor shown in FIG. The same reference numerals are therefore used below for corresponding structural elements. A structure 50 (preferably made of porosilicon or monocrystalline silicon) is applied to the silicon carrier 10 as well. Structure 50
have two first partial structures consisting of frames 211 and 212, respectively, and tongues 221 and 222 extending therefrom. The two first substructures are each applied at the edge of the reinforcement region of the diaphragm 12 onto a support 211 and 212 on the first main plane of the silicon carrier 10 . The tongues 221 and 222 are oriented parallel to the first main plane of the silicon carrier 10 and extend beyond the diaphragm 12 to the frame 1.
1 protrudes upward. A gap exists between the tongue pieces 221, 222 and the first main plane of the silicon carrier 10. The two first substructures are electrically conductively connected to each other via an electrode 15 diffused into the diaphragm 12 in the reinforcement region. In the area of the frame 11 each tongue 221, 2
Opposite 22 , first counter electrodes 161 and 162 are diffused into the main plane of silicon carrier 10 . Electrode 15,1
61 and 162 can be realized in other ways, for example by separate polysilicon layers. The second counter electrode 25 is formed by another substructure of the structure 50. This counter-electrode 25 is connected in the form of a bridge from one side of the frame 11 to the opposite side of the frame 11 over the reinforcing part of the diaphragm 12 between the frames 221 and 222 of the two first partial structures.
It is stretched between. In the case of this sensor, the tongue piece 221
and 222 and the frame 21
1 and 212 are used as the center electrode of the differential capacitor with electrode 15 diffused into the diaphragm. The first opposing electrodes 161 and 162 of the differential capacitor are connected to the frame 11.
is placed on the surface of The second counter electrode 25 is arranged on top of the electrode 15 diffused into the diaphragm 12 . In the sensor shown in FIG. 1, the displacement of the diaphragm 12 when a force is applied perpendicularly to the carrier surface is determined by the tongues 221 and 222, which are part of the central electrode of the differential capacitor, the first opposing electrode 161, 162. Furthermore, the distance between the diaphragm 12 and the second opposing electrode 25 also changes. In this case, an electrode 15 is located on the surface of the diaphragm 12 as part of the central electrode. The displacement of the diaphragm 12 is therefore again detected capacitively by the differential capacitor arrangement. In contrast to the sensor shown in FIG. 1, the structure 50 of the sensor shown in FIG. With this configuration of structure 50, FIG.
Compared to the configuration of the structure 50 shown in FIG. 1, process steps are saved in the manufacture of the sensor.

【0010】図3には、図2のセンサの正面図が示され
ている。シリコン担体10の第1主表面がその上に被着
された構造体50により示されているが、フレーム11
、ダイヤフラム12の領域および付加質量体13を有す
る補強部領域13も示されている。第1部分構造体の舌
片211と222は、第1構造体の補強部の縁部に配置
された架台211、222から出て、オール状に構成さ
れている。舌片221、222はダイヤフラム12の領
域を越えて、少なくとも一部はフレーム11の領域の上
方に延びている。フレーム11上には舌片221と22
2に対向してそれぞれ、第1対向電極161と162が
配置されている。第2対向電極25を形成する第2部分
構造体はブリッジ状に、フレーム11の一方の側からフ
レーム11の対向する側へダイヤフラム12上に張設さ
れている。第2部分構造体は例えば接続拡散により接触
接続可能である。第2対向電極25は第1部分構造体の
架台211と212との間に配置されており、かつ補強
部領域に配置された電極15の上方に配置されている。 この電極15は2つの第1部分構造体間の導電接続を行
う。2つの第1部分構造体および第2部分構造体はこの
例では1つの共通の層から構造化される。
FIG. 3 shows a front view of the sensor of FIG. Although the first major surface of the silicon carrier 10 is shown by the structure 50 deposited thereon, the frame 11
, the region of the diaphragm 12 and the reinforcement region 13 with the additional mass 13 are also shown. The tongues 211 and 222 of the first partial structure come out of frames 211 and 222 arranged at the edges of the reinforcing part of the first structure and are configured in the shape of an oar. The tongues 221 , 222 extend beyond the area of the diaphragm 12 and at least partially above the area of the frame 11 . On the frame 11 are tongue pieces 221 and 22.
First opposing electrodes 161 and 162 are arranged opposite to each other. The second partial structure forming the second counterelectrode 25 is stretched over the diaphragm 12 from one side of the frame 11 to the opposite side of the frame 11 in the form of a bridge. The second part structure can be contact-connected, for example by connection diffusion. The second counter electrode 25 is arranged between the frames 211 and 212 of the first partial structure, and above the electrode 15 arranged in the reinforcement region. This electrode 15 makes an electrically conductive connection between the two first substructures. The two first and second substructures are structured from one common layer in this example.

【0011】図4には、図2および図3に相応するセン
サが示されており、このセンサはカバー40を有する。 このカバーは例えばポリシリコン層または単結晶シリコ
ン層により実現され得る。この層は全センサ構造体から
突出し、これを気密に封鎖する。従い、カバー40内を
所定の圧力、例えば真空に調整することができる。圧力
はセンサの減衰特性を定める。
FIG. 4 shows a sensor corresponding to FIGS. 2 and 3, which has a cover 40. In FIG. This cover can be realized, for example, by a polysilicon layer or a monocrystalline silicon layer. This layer protrudes from the entire sensor structure and hermetically seals it off. Therefore, the pressure inside the cover 40 can be adjusted to a predetermined pressure, for example, a vacuum. The pressure determines the damping characteristics of the sensor.

【0012】図5には、構造体50を有する加速度セン
サとしての本発明のセンサの構造が示されている。構造
体50は図2、図3に相応する。ここではシリコン担体
10は上部層8を有し、この上部層にダイヤフラム12
の一部が構成されている。シリコン担体10の下側には
下部層9が被着されている。この下部層は有利には同様
に単結晶シリコン層である。加速度センサとしてのセン
サの適用のために、ダイヤフラム12は部分的に貫通エ
ッチングされている。これにより付加質量体13はウェ
ッブにのみ懸架される。震動質量として用いる付加質量
体13は、ダイヤフラム12の平面内にはない質量重心
を有しているから、震動質量13は下部層9に構成され
て固定ウェッブ14により付加的にフレーム11と結合
されている。この手段により、横加速度に対する感度が
低減される。両側pnエッチング停止限界によるこの主
の構造体の実現は既に従来の技術から公知である。
FIG. 5 shows the structure of a sensor according to the invention as an acceleration sensor having a structure 50. In FIG. The structure 50 corresponds to FIGS. 2 and 3. Here, the silicon carrier 10 has an upper layer 8 in which a diaphragm 12 is arranged.
consists of a part of. A lower layer 9 is applied to the underside of the silicon carrier 10 . This lower layer is also preferably a monocrystalline silicon layer. For application of the sensor as an acceleration sensor, the diaphragm 12 is partially etched through. The additional mass 13 is thereby suspended only on the web. Since the additional mass 13 used as a seismic mass has a center of gravity that is not in the plane of the diaphragm 12, the seismic mass 13 is configured in the lower layer 9 and is additionally connected to the frame 11 by a fastening web 14. ing. This measure reduces the sensitivity to lateral accelerations. The realization of this main structure with double-sided pn etch stop limits is already known from the prior art.

【0013】図6には、図5に相応する加速度センサが
示されている。このセンサの下側には下部カバー45が
被着されている。下部カバーは例えばシリコンウェーハ
またはガラス担体により実現することができる。付加質
量体13と固定ウェッブ14の領域に下部カバー45は
空洞44を有する。下部層9上の付加質量体13の領域
に、第1の励起電極46が配置されている。この励起電
極は拡散または金属化により実現し得る。空洞44の底
面には第1励起電極46に対向して第2の励起電極47
が被着されている。これも同様に金属化の形で実現され
る。励起電極46と47の間に電圧を印加することによ
り、付加質量体13が静電的に変位される。この変位も
加速度と同様に、シリコン担体10の上側の差動コンデ
ンサ構造体により検出できる。励起電極46と47は差
動コンデンサ装置とは別個であるので、センサのこの機
能検査はセンサの動作中も可能である。このことは安全
装置の加速度センサに対して特に有利である。
FIG. 6 shows an acceleration sensor corresponding to FIG. A lower cover 45 is attached to the lower side of this sensor. The lower cover can be realized, for example, by a silicon wafer or a glass carrier. In the region of the additional mass 13 and the fastening web 14 the lower cover 45 has a cavity 44 . A first excitation electrode 46 is arranged on the lower layer 9 in the region of the additional mass 13 . This excitation electrode can be realized by diffusion or metallization. A second excitation electrode 47 is provided on the bottom surface of the cavity 44 opposite to the first excitation electrode 46.
is covered. This is likewise realized in the form of metallization. By applying a voltage between excitation electrodes 46 and 47, additional mass 13 is electrostatically displaced. This displacement, like the acceleration, can also be detected by the differential capacitor structure on the upper side of the silicon carrier 10. Since the excitation electrodes 46 and 47 are separate from the differential capacitor arrangement, this functional test of the sensor is also possible during operation of the sensor. This is particularly advantageous for acceleration sensors of safety devices.

【0014】図1から図6に図示された本発明のセンサ
のコンデンサ構造の電極を表面マイクロ技術で実現する
際に、“相互に接着する”ことを回避するために、有利
には全コンデンサ構造体のすべての側およびシリコン担
体の第1主表面へ、表面構造体の領域で電位の弱いパッ
シブ層、有利にはニトリド層が分離される。これにより
付着ないし過負荷によるセンサの短絡が回避される。
When realizing the electrodes of the capacitor structure of the sensor according to the invention as illustrated in FIGS. 1 to 6 with surface microtechnology, it is advantageous to use the entire capacitor structure in order to avoid "sticking together". On all sides of the body and to the first main surface of the silicon carrier, a passive layer of low potential, preferably a nitride layer, is separated in the region of the surface structure. This avoids short-circuits of the sensor due to fouling or overloading.

【0015】[0015]

【発明の効果】本発明により、圧力および加速度測定用
のセンサが得られる。
According to the present invention, a sensor for measuring pressure and acceleration is obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

【図1】本発明のセンサの模式的断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a sensor of the present invention.

【図2】本発明の別のセンサの断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of another sensor of the invention.

【図3】図2のセンサの正面図である。FIG. 3 is a front view of the sensor of FIG. 2;

【図4】図2および図3に相応する、カバー付センサの
断面図である。
4 is a sectional view of the covered sensor corresponding to FIGS. 2 and 3; FIG.

【図5】加速度センサの断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of the acceleration sensor.

【図6】機能検査機能を有する、図5の加速度センサの
断面図である。
6 is a cross-sectional view of the acceleration sensor of FIG. 5 with a functional test function; FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10  単結晶シリコン担体 11  フレーム 12  ダイヤフラム 13  付加質量体 18  線路 21  架台 50  構造体 161、162  対向電極 221、222  舌片 10 Single crystal silicon carrier 11 Frame 12 Diaphragm 13 Additional mass body 18 Railway track 21 Mount 50 Structure 161, 162 Counter electrode 221, 222 Tongue piece

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  単結晶シリコン担体を有する、圧力ま
たは加速度測定用のセンサであって、前記シリコン担体
の第1主表面には薄膜の列が被着されており、当該薄膜
層には少なくとも1つの第1部分構造体を有する構造体
が形成されており、該第1部分構造体はシリコン担体の
第1主表面に対して平行に配向されており、前記第1部
分構造体と主表面との間には空隙が存在するセンサにお
いて、 −シリコン担体(10)は構造化されており、第1の主
表面に構成された変位可能なダイヤフラム(12)を備
えたフレーム(11)を有し、 −前記ダイヤフラム(12)は補強部領域を有し、−前
記第1部分構造体は補強部領域で前記ダイヤフラム(1
2)と結合されており、 −第1部分構造体はダイヤフラム(12)を越えて少な
くとも一部がフレーム(11)の上方へ延びており、−
第1部分構造体はコンデンサの電極を形成し、−コンデ
ンサの少なくとも1つの対向電極(161、162)は
フレーム(11)の領域で、前記第1部分構造体に対向
して配置されている、 ことを特徴とする圧力または加速度センサ。
1. A sensor for measuring pressure or acceleration having a monocrystalline silicon carrier, the silicon carrier having an array of thin films deposited on a first major surface, the thin film layer comprising at least one A structure is formed having two first substructures, the first substructures being oriented parallel to the first main surface of the silicon carrier, and the first substructures and the main surface being oriented parallel to each other. In a sensor between which there is an air gap, - the silicon carrier (10) is structured and has a frame (11) with a displaceable diaphragm (12) configured on the first major surface; , - the diaphragm (12) has a reinforcement area, - the first partial structure has a reinforcement area of the diaphragm (12);
2), - the first partial structure extends at least partially above the frame (11) beyond the diaphragm (12); -
the first substructure forms an electrode of a capacitor, - at least one counterelectrode (161, 162) of the capacitor is arranged opposite said first substructure in the region of the frame (11); A pressure or acceleration sensor characterized by:
【請求項2】  −少なくとも1つの第2部分構造体が
設けられており、該第2部分構造体はフレーム(11)
の領域でシリコン担体(10)と結合されており、−少
なくとも1つの第2部分構造体は電極に対する少なくと
も1つの第2対向電極を形成し、少なくとも1つの第2
対向電極は少なくとも1つの第1対向電極(161、1
62)および中央電極としての電極と共に差動コンデン
サを形成する請求項1記載のセンサ。
2. - at least one second substructure is provided, said second substructure comprising a frame (11);
is connected to the silicon carrier (10) in the region of - the at least one second partial structure forms at least one second counterelectrode to the electrode;
The counter electrode includes at least one first counter electrode (161, 1
62) and the electrode as the central electrode form a differential capacitor.
【請求項3】  −前記構造体(50)はポリシリコン
層または単結晶シリコン層から構造化されている請求項
1または2記載のセンサ。
3. Sensor according to claim 1, wherein the structure (50) is structured from a polysilicon layer or a monocrystalline silicon layer.
【請求項4】  −前記ダイヤフラム(12)は補強部
領域に付加質量体(13)を有している請求項1から3
までのいずれか1記載のセンサ。
4. The diaphragm (12) has an additional mass (13) in the region of the reinforcement.
The sensor according to any one of the above.
【請求項5】  −シリコン担体(10)は上部層(8
)を有し、該上部層にダイヤフラム(12)の一部が構
成されている請求項1から4までのいずれか1記載のセ
ンサ。
5. - the silicon carrier (10) comprises an upper layer (8);
5. The sensor according to claim 1, wherein the upper layer comprises a diaphragm (12).
【請求項6】  −コンデンサの電極の電気接続部は、
シリコン担体(10)の第1主表面へ拡散されている請
求項1から5までのいずれか1記載のセンサ。
6. - The electrical connections of the electrodes of the capacitor are:
6. The sensor according to claim 1, wherein the sensor is diffused onto the first major surface of the silicon carrier (10).
【請求項7】  −コンデンサの少なくとも1つの第1
対向電極(161、162)は、フレーム(11)の第
1主表面へ拡散されている請求項1から6までのいずれ
か1記載のセンサ。
7. - at least one first of the capacitors;
7. Sensor according to claim 1, wherein the counter electrodes (161, 162) are diffused onto the first main surface of the frame (11).
【請求項8】  −構造体(50)は、カバー(40)
により気密に封鎖されており、該カバーはシリコン担体
(10)の第1主表面へ被着されており、有利にはポリ
シリコン製または単結晶シリコン製である請求項1から
7までのいずれか1記載のセンサ。
- The structure (50) includes a cover (40)
8. The cover is applied to the first main surface of the silicon carrier (10) and is preferably made of polysilicon or monocrystalline silicon. 1. The sensor according to 1.
【請求項9】  −カバー(40)内は所定の圧力、有
利には真空である請求項8記載のセンサ。
9. Sensor according to claim 8, characterized in that there is a predetermined pressure in the cover (40), preferably a vacuum.
【請求項10】  −構造体50のすべての部分構造体
のすべての側およびシリコン担体(10)の第1主表面
には、少なくとも構造体50の領域で電位の弱いパッシ
ブ層、有利にはニトリド層が被着されている請求項1か
ら9までのいずれか1記載のセンサ。
10. On all sides of all substructures of the structure 50 and on the first main surface of the silicon carrier (10), at least in the region of the structure 50 there is provided a passive layer with a weak potential, preferably nitride. 10. A sensor according to claim 1, wherein a layer is applied.
【請求項11】  −少なくとも1つの第2部分構造体
は少なくとも1つの架台(311、312)を有し、当
該架台から舌状に構成された少なくとも1つの第2対向
電極(301、302)が張出しており、少なくとも1
つの第2部分構造体は少なくとも1つの架台(311、
312)を介してフレーム(11)と結合されており、
−少なくとも1つの第2対向電極は、中央電極を形成す
る第1部分構造体に対して平行に配向されており、少な
くとも一部は当該第1部分構造体の上方へ延びている請
求項1から10までのいずれか1記載のセンサ。
11. The at least one second partial structure has at least one pedestal (311, 312) from which at least one second counter electrode (301, 302) configured in the form of a tongue extends. Overhanging, at least 1
The two second partial structures have at least one pedestal (311,
312) to the frame (11);
- at least one second counter-electrode is oriented parallel to the first sub-structure forming the central electrode and extends at least in part above said first sub-structure; 10. The sensor according to any one of items 1 to 10.
【請求項12】  −少なくとも1つの第1部分構造体
は架台(211、212)を有し、当該架台から舌状に
構成された少なくとも1つの可動の中央電極(221、
222)が張出しており、少なくとも1つの第1部分構
造体は少なくとも1つの架台(211、222)を介し
てダイヤフラム(12)と結合されており、−少なくと
も1つの架台(211、212)は補強部領域の縁部に
配置されており、少なくとも1つの可動の中央電極(2
21、222)はシリコン担体(10)の第1主表面に
対して平行に配向されており、フレーム(11)の上方
に突出しており、 −ダイヤフラム(12)の補強部領域には少なくとも1
つの電極(15)が配置されており、該電極は少なくと
も1つの可動の中央電極(221、222)と導電的に
接触接続しており、 −少なくとも1つの電極(15)の上方では少なくとも
1つの第1部分構造体の少なくとも1つの架台(211
、212)の他に、少なくとも1つの第2部分構造体と
して、両側でフレーム(11)と結合され、ブリッジ状
に構成された第2対向電極(25)が配置されている請
求項1から10までのいずれか1記載のセンサ。
12. At least one first partial structure has a cradle (211, 212) from which at least one movable central electrode (221, 212) is configured in the form of a tongue.
222) is overhanging, the at least one first partial structure is connected to the diaphragm (12) via at least one cradle (211, 222), - the at least one cradle (211, 212) is reinforced; at least one movable central electrode (2
21, 222) are oriented parallel to the first main surface of the silicon carrier (10) and project above the frame (11); - in the area of the reinforcement of the diaphragm (12) at least one
two electrodes (15) are arranged, which electrodes are in electrically conductive contact connection with at least one movable central electrode (221, 222), - above the at least one electrode (15) at least one At least one frame (211) of the first partial structure
, 212), a second opposing electrode (25) connected to the frame (11) on both sides and configured in the form of a bridge is arranged as at least one second partial structure. The sensor according to any one of the above.
【請求項13】  −ダイヤフラム(12)は付加質量
体(13)の周囲で貫通されており、これにより付加質
量体はダイヤフラム内(12)に構成されたウェッブに
のみ懸架される請求項4から12までのいずれか1記載
のセンサ。
13. From claim 4, in which the diaphragm (12) is penetrated around the periphery of the additional mass (13), so that the additional mass is suspended only on a web configured in the diaphragm (12). 12. The sensor according to any one of up to 12.
【請求項14】  −シリコン担体(10)の第2主表
面には下部層(9)、有利には単結晶シリコン層が被着
されており、 −下部層(9)には固定ウェッブ(14)が構成されて
おり該固定ウェッブは付加質量体(13)をフレーム(
11)と結合する請求項4から13までのいずれか1記
載のセンサ。
14. - on the second main surface of the silicon carrier ( 10 ) a lower layer ( 9 ), preferably a monocrystalline silicon layer, is applied; - on the lower layer ( 9 ) a fixing web ( 14 ); ) and the fixed web connects the additional mass (13) to the frame (
11) The sensor according to any one of claims 4 to 13, in combination with 11).
【請求項15】  −下部層(9)に対して下部カバー
(45)が被着されており、該下部カバーは付加質量体
(13)の領域に空洞(44)を有し、−下部層(9)
には付加質量体(13)の領域で少なくとも1つの第1
励起電極(46)が配置されており、−少なくとも1つ
の第1励起電極(46)に対向して、空洞(44)の底
面には少なくとも1つの第2励起電極(47)が配置さ
れており、 −励起電極(46、47)間に電圧を印加するための手
段が設けられている請求項14記載のセンサ。
15. A lower cover (45) is applied to the lower layer (9), the lower cover having a cavity (44) in the region of the additional mass (13), - the lower layer (9)
in the region of the additional mass (13) at least one first
an excitation electrode (46) is arranged; - opposite the at least one first excitation electrode (46), at least one second excitation electrode (47) is arranged at the bottom of the cavity (44); 15. Sensor according to claim 14, characterized in that means are provided for applying a voltage between the excitation electrodes (46, 47).
【請求項16】  −下部カバー(45)はガラス担体
またはシリコン担体から形成される請求項15記載のセ
ンサ。
16. Sensor according to claim 15, wherein the lower cover (45) is formed from a glass carrier or a silicon carrier.
【請求項17】  −圧力供給部がシリコン担体(10
)の第2主表面に配置されている請求項1から12まで
のいずれか1記載のセンサ。
17. - The pressure supply part is a silicon carrier (10
13. The sensor according to claim 1, wherein the sensor is arranged on the second main surface of the sensor.
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